【垂直領域-智造自動】圖像傳感器在機器人和自動化領域的應用與發展

機器人技術和自動化應用正在全球范圍內改變各個行業，從倉庫到醫療設施，提升生產力、效率、安全性和運營可見性。這些應用的核心是圖像傳感器，它使機器人能夠感知和與其環境互動。本篇文章探討了圖像傳感器在機器人技術中的作用，并重點介紹了安森美（onsemi）在成像技術方面的進步及其相關解決方案。

在過去的十年中，自動化和機器人技術徹底改變了許多行業，使傳統流程變得更安全、更高效。在這些創新中，移動機器人處于自動化的前沿，為各個行業的運營帶來了簡化。移動機器人主要可分為兩種類型：自主移動機器人（AMR）和自動導引車（AGV）。AMR 被設計為能夠獨立運行，可以在無需人工干預的情況下適應動態環境。借助諸如同時定位與地圖構建（SLAM）等先進的感知技術，AMR 能夠繪制周圍環境的地圖、識別障礙物并自主導航，使其成為工廠和倉庫自動化等應用的理想選擇。    相比之下，AGV 依賴于外部指導系統，如磁條或視覺追蹤，以遵循固定路徑運行。盡管 AGV 在裝配線和庫存管理等結構化環境中表現卓越，但它們缺乏 AMR 的靈活性。AGV 類似于在預定軌道上運行的火車，而 AMR 則更像能夠繞過障礙物的汽車。這一區別使得 AMR 成為需要動態適應性解決方案的行業的首選。

自主移動機器人（AMRs）無需指引即可運行，可動態適應新環境。然而，為實現自主移動，它們需要具備同時定位與建圖（SLAM）能力。通過 SLAM 技術，機器人能夠繪制周圍環境地圖并確定其自身位置。AMRs 依賴圖像傳感器完成諸如環境導航、3D 建圖、避障和碼識別等任務，而這些任務都需要精準且高效的感知能力。在 3D 建圖方面，AMRs 使用立體成像、間接飛行時間測量（iToF）和激光雷達（LiDAR）等技術來測量深度并創建詳盡的環境地圖。深度感知使 AMRs 能夠檢測包括人類在內的物體，并規避潛在危險，這是在人機共存環境中確保安全的關鍵功能。    避障是另一個由圖像傳感器或深度傳感器支持的關鍵功能。配備滾動快門或全局快門、快速處理速度以及高動態范圍（HDR）的傳感器使 AMRs 能夠實時識別并應對障礙物。在諸如工廠或倉庫等光線混合環境中，由于反光和陰影會使視覺感知復雜化，因此 HDR 技術顯得尤為重要。    此外，圖像傳感器在碼識別這一制造和物流中的常見任務中也發揮著重要作用。配備全局快門且功耗較低的傳感器在這些應用中表現出色，使 AMRs 能夠快速而準確地掃描和處理碼信息。高效的長時間運行能力進一步提升了其在高要求工業環境中的價值。    盡管 AMRs 和自動導引車輛（AGVs）占據了移動機器人領域的主導地位，靜態機器人在自動化中也發揮著至關重要的作用。這些固定在某處的機器人執行挑揀和分類物品等任務。與移動機器人一樣，靜態機器人依賴圖像傳感器進行深度檢測和精準控制。先進的感知技術確保這些機器人即使在復雜的工業環境中也能以高精度完成任務。

多個因素正在推動機器人在各行業的快速應用，其中生產力是主要驅動力。機器人可以長時間不知疲倦地執行重復性任務。效率是另一個主要優勢，因為機器人消除了因人工干預而導致的延遲，使員工能夠專注于更高價值的活動。安全性同樣重要，因為機器人可以取代可能危及人類工人的危險任務。    為了提高生產力、效率和安全性，大多數客戶尋求全面的數據以直觀地了解運營情況。這些數據可以進行深入分析，并幫助確定有效的改進策略。通過利用詳細直觀的數據，客戶能夠深入了解其操作流程，從而實現更有效的決策和優化的性能。   機器人市場目前正經歷顯著增長，尤其是在自主移動機器人（AMR）領域。行業分析師預測，2024年至2030年期間，AMR的年復合增長率（CAGR）將達到16%至20%。這一增長得益于人工智能（AI）和自動化技術的進步，這不僅提升了機器人的能力，還為創新開辟了新的機會。

作為成像技術的領導者，onsemi 開發了一系列創新的圖像傳感器，以滿足機器人技術的需求。其產品包括滾動快門和全局快門傳感器，以及用于深度感應和 HDR 應用的專用解決方案。這些技術使機器人能夠以更高的精度、效率和可靠性執行任務。   滾動快門傳感器因其較小的像素尺寸和較高的靈敏度而著稱，非常適合需要在低光條件下實現細致成像的應用。然而，它們可能會引入運動偽影，從而限制其在動態環境中的使用。相比之下，全局快門傳感器能夠同時曝光所有像素，從而消除運動偽影，非常適合涉及移動物體、避障和代碼讀取的任務。   深度感應是 onsemi 的另一個優勢領域。其 iToF 技術通過測量反射光的相位差來確定深度。onsemi 的 iToF 解決方案覆蓋短距離（30 至 50 厘米），并可擴展到高達 20 米的距離，同時具有卓越的精度。   高動態范圍（HDR）技術對在復雜光照環境中運行的機器人至關重要。HDR 傳感器捕獲多次曝光以生成平衡且精確的圖像，確保機器人即使在高對比度或反光區域也能清晰地看到物體。HDR 可以通過多種方式實現。例如，多曝光 HDR 提供出色的低光性能，但可能會出現運動偽影。分體二極管像素 HDR 減少了運動偽影，但容易出現 LED 閃爍問題。單次曝光多增益模式（超級曝光模式）結合了上述兩種方法的優點。HDR 技術的選擇取決于具體應用的需求。   onsemi 提供多種 Hyperlux 圖像傳感器系列，以滿足工業機器人各種需求。這些傳感器結合了低功耗、高動態范圍和先進特性，在克服復雜光照條件的同時提供卓越的圖像質量。Hyperlux LP 系列專注于超低功耗，非常適合節能應用。Hyperlux LH 系列針對工業和商業環境設計，提供令人驚艷的 4K 視頻質量，并配備增強的近紅外（NIR）與 eHDR，以及 120 dB HDR，可在混合光照條件下實現出色性能。Hyperlux SG 系列結構緊湊，具有行業領先的全局快門效率，適合用于精確掃描、AR/VR 和 AMR 應用。Hyperlux ID 系列分辨率高達 1.2 MP，革新了 iToF 技術，擴展了室內/室外距離測量的范圍，為 3D 感應開辟了新可能，并推動工業自動化、機器人、安全等領域的進步。   2024 年 7 月，onsemi 收購了 SWIR Vision Systems，該公司擁有膠體量子點技術的專利，使得基于 CMOS 的 SWIR（短波紅外）傳感器成為可能。與傳統的基于 InGaAs 的 SWIR（900 nm 至 1700 nm）不同，onsemi 的 SWIR 覆蓋更寬的范圍（400 nm 至 2100 nm）。此外，onsemi 的 SWIR 傳感器被歸類為 EAR99，與 ITAR 分類的 InGaAs SWIR 傳感器相比更易出口。目前，SWIR 已應用于 BGA、1 MP 和 2 MP 相機，更多產品正在開發中。

圖像傳感器的未來在于實現更高的分辨率、更小的光學格式、更大的動態范圍、更低的功耗和更高的精度。展望未來，人工智能與先進傳感器技術的結合將為機器人技術開辟新的可能性。從醫療保健到教育，這些進步將使機器人能夠在各種環境中執行愈加復雜的任務。隨著機器人技術成本的不斷下降，我們可以期待其在服務行業和家庭應用中的更廣泛采用。    圖像傳感器是現代機器人技術的基石，以無與倫比的精度支持從3D映射到避障等任務的實現。onsemi 正積極通過持續創新滿足這些需求，確保其傳感器始終保持行業領先地位。onsemi 的尖端傳感器技術，包括 Hyperlux 系列、iToF 解決方案以及 SWIR 傳感器，正推動機器人技術和自動化領域的下一波發展浪潮。隨著這些技術的不斷演進，它們將擴展機器人的能力，為各行各業創造新的機遇，并改善我們的工作和生活方式。